集成運算放大電路

為什么要多級放大？在上一個項目，我們主要研究了由一個晶體管組成基本放大電路，它們的電壓放大倍數(shù)一般只有幾十倍。但是在實際應(yīng)用中，往往需要放大非常微弱的信號，上述的放大倍數(shù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。為了獲得更高的電壓放大倍數(shù)，可以把多個基本放大電路連接起來，組成“多級放大電路”。其中每一個基本放大電路叫做一“級”，而級與級之間的連接方式則叫做“耦合方式”。一、多級放大電路的組成模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)輸入級——輸入電阻高，噪聲和漂移小。對各級電路的要求輸出級——動態(tài)范圍大，輸出功率大，帶載能力強(qiáng)。中間級——具有足夠大的放大能力。多級放大電路的組成輸入級中間級輸出級模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)多級放大電路的耦合方式多級放大電路的耦合——放大電路與信號源、負(fù)載以及電路內(nèi)部各級之間的連接。常用的耦合方式直接耦合阻容耦合變壓器耦合級間耦合形式：直接耦合A1A2電路簡單，能放大交、直流信號，“Q”點互相影響，零點漂移嚴(yán)重。阻容耦合A1A2各級“Q”點獨立，只放大交流信號，信號頻率低時耦合電容容抗大。變壓器耦合A1A2用于選頻放大器、功率放大器等。二.多級放大器的耦合方式1.阻容耦合——通過電容將后級電路與前級相連接優(yōu)點：

各級放大器靜態(tài)工作點獨立。由于電容器隔直流而通交流，所以它們的直流通路相互隔離、相互獨立的，這樣就給設(shè)計、調(diào)試和分析帶來很大方便。

輸出溫度漂移比較小。在傳輸過程中，交流信號損失少。只要耦合電容選得足夠大，則較低頻率的信號也能由前級幾乎不衰減地加到后級，實現(xiàn)逐級放大。體積小，成本低缺點：

不適合放大緩慢

變化的信號。

不便于作成集成電路。（放大頻率不太低的交流信號－－交流放大器）低頻特性差；只能使信號直接通過，而不能改變其參數(shù)。2.直接耦合——將前級的輸出端直接與后級的輸入端相連接優(yōu)點：

各級放大器靜態(tài)工作點相互影響。

輸出溫度漂移嚴(yán)重。缺點：

可放大緩慢變化的信號。

電路中無電容，便于集成化（低頻特性好，能放大緩慢變化甚至直流信號－－直流放大器）為了解決這個問題：可以采用如下的辦法。T1、T2都處于飽和1）靜態(tài)工作點不獨立（a）RRB1C1uiuoTT12UCE1E2RRC2(a)加入電阻RE2方法一：RRB1C1RE2uiuoTT12RC2VCC+方法三：可以在電路中采用不同類型的管子，即NPN和PNP管配合使用，如下圖所示。利用NPN型管和PNP型管進(jìn)行電平移動（1）電路可以放大緩慢變化的信號和直流信號。由于級間是直接耦合，所以電路可以放大緩慢變化的信號和直流信號。（2）便于集成。由于電路中只有晶體管和電阻，沒有電容器和電感器，因此便于集成。缺點：優(yōu)點：（1）各級的靜態(tài)工作點不獨立，相互影響。會給設(shè)計、計算和調(diào)試帶來不便。（2）引入了零點漂移問題。零點漂移對直接耦合放大電路的影響比較嚴(yán)重。（2）直接耦合放大電路的優(yōu)缺點（3）直接耦合放大電路中的零點漂移問題1）何謂零點漂移？2）產(chǎn)生零點漂移的原因3）零點漂移的嚴(yán)重性及其抑制方法電阻，管子參數(shù)的變化，電源電壓的波動。如果采用高精度電阻并經(jīng)經(jīng)過老化處理和采用高穩(wěn)定度的電源，則晶體管參數(shù)隨溫度的變化將成為產(chǎn)生零點漂移的主要原因。如果零點漂移的大小足以和輸出的有用信號相比擬，就無法正確地將兩者加以區(qū)分。因此，為了使放大電路能正常工作，必須有效地抑制零點漂移。為什么只對直接耦合多級放大電路提出這一問題呢？溫度的變化和零點漂移都是隨時間緩慢變化的，如果放大電路各級之間采用阻容耦合，這種緩慢變化的信號不會逐級傳遞和放大，問題不會很嚴(yán)重。但是，對直接耦合多級放大電路來說，輸入級的零點漂移會逐級放大，在輸出端造成嚴(yán)重的影響。特別時當(dāng)溫度變化較大，放大電路級數(shù)多時，造成的影響尤為嚴(yán)重。抑制零點漂移的方法：1）采用恒溫措施，使晶體管工作溫度穩(wěn)定。需要恒溫室或槽，因此設(shè)備復(fù)雜，成本高。2）采用溫度補(bǔ)償法。就是在電路中用熱敏元件或二極管（或晶體管的發(fā)射結(jié)）來與工作管的溫度特性互相補(bǔ)償。最有效的方法是設(shè)計特殊形式的放大電路，用特性相同的兩個管子來提供輸出，使它們的零點漂移相互抵消。這就是“差動放大電路”的設(shè)計思想。3）采用直流負(fù)反饋穩(wěn)定靜態(tài)工作點。4）各級之間采用阻容耦合。3.變壓器耦合（隔離性能好）——放大電路前級的輸出端通過變壓器接到后級的輸入端或負(fù)載電阻上優(yōu)點：1、各級電路的靜態(tài)工作點相互獨立，改變匝數(shù)比可以實現(xiàn)阻抗變換，獲得大的輸出功率。2、變壓器耦合多級放大電路前后級的靜態(tài)工作點是相互獨立、互不影響的。因為變壓器不能傳送直流信號。3、變壓器耦合多級放大電路基本上沒有溫漂現(xiàn)象。缺點：體積大，成本高，不便于集成；不能傳送直流或者頻率低的信號，高頻和低頻性能都很差4.光電耦合光電耦合方式是通過光電耦合器件實現(xiàn)的

.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)差分放大電路1、零點漂移現(xiàn)象及其產(chǎn)生的原因什么是零點漂移現(xiàn)象：ΔuI＝0，ΔuO≠0的現(xiàn)象。產(chǎn)生原因：溫度變化，直流電源波動，元器件老化。其中晶體管的特性對溫度敏感是主要原因，故也稱零漂為溫漂?？朔仄姆椒ǎ阂胫绷髫?fù)反饋，溫度補(bǔ)償。典型電路：差分放大電路模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)零點漂移零輸入零輸出理想對稱2、差分放大電路的組成信號特點？能否放大？共模信號：大小相等，極性相同。差模信號：大小相等，極性相反.信號特點？能否放大？3、射極偏置差分放大電路的分析1）Q點：模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)2）抑制共模信號共模信號：數(shù)值相等、極性相同的輸入信號，即模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)2）抑制共模信號：Re的共模負(fù)反饋作用Re的共模負(fù)反饋作用：溫度變化所引起的變化等效為共模信號如

T(℃)↑→IC1↑IC2↑→UE↑→IB1↓IB2↓→IC1↓IC2↓抑制了每只差分管集電極電流、電位的變化。對于每一邊電路，Re=?模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)3）放大差模信號△iE1=－△iE2，Re中電流不變，即Re

對差模信號無反饋作用。差模信號：數(shù)值相等，極性相反的輸入信號，即＋－＋－模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)為什么？差模信號作用時的動態(tài)分析差模放大倍數(shù)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)4）動態(tài)參數(shù)：Ad、Ri、Ro、Ac、KCMR共模抑制比KCMR：綜合考察差分放大電路放大差模信號的能力和抑制共模信號的能力。

在實際應(yīng)用時，信號源需要有“接地”點，以避免干擾；或負(fù)載需要有“接地”點，以安全工作。

根據(jù)信號源和負(fù)載的接地情況，差分放大電路有四種接法：雙端輸入雙端輸出、雙端輸入單端輸出、單端輸入雙端輸出、單端輸入單端輸出。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)4、差分放大電路的四種接法由于輸入回路沒有變化，所以IEQ、IBQ、ICQ與雙端輸出時一樣。但是UCEQ1≠UCEQ2。1）雙端輸入單端輸出：Q點分析?模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)1）雙端輸入單端輸出：差模信號作用下的分析模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)1）雙端輸入單端輸出：共模信號作用下的分析T2的作用是使Re變?yōu)樵瓉淼膬杀叮龃罅斯材Ｒ种票饶M電子技術(shù)基礎(chǔ)1）雙端輸入單端輸出：問題討論（1）T2的Rc可以短路嗎？可以（2）什么情況下Ad為“＋”？將輸出端放在T2上（3）雙端輸出時的Ad是單端輸出時的2倍嗎？不是模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)2）單端輸入共模輸入電壓差模輸入電壓

輸入差模信號的同時總是伴隨著共模信號輸入：在輸入信號作用下發(fā)射極的電位變化嗎？說明什么？模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)單端輸入雙端輸出模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)單端輸入單端輸出模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)四種接法的比較：電路參數(shù)理想對稱條件下輸入方式：Ri均為2rbe；雙端輸入時無共模信號輸入，單端輸入時有共模信號輸入。輸出方式：Q點、Ad、Ac、KCMR、Ro均與之有關(guān)。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)若uI1=10mV，uI2=5mV，則uId=？uIc=？uId=5mV，uIc=7.5mV討論模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)改進(jìn)的差分放大電路1、具有恒流源的差分放大電路

Re越大，每一邊的漂移越小，共模負(fù)反饋越強(qiáng)，單端輸出時的Ac越小，KCMR越大，差分放大電路的性能越好。但為使靜態(tài)電流不變，Re越大，VEE越大，以至于Re太大就不合理了。（電壓源不給力）需在低電源條件下，設(shè)置合適的IEQ，并得到得到趨于無窮大的Re。解決方法：采用電流源取代Re！模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)具有恒流源差分放大電路的組成等效電阻為無窮大近似為恒流模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)1)RW取值應(yīng)大些？還是小些？2)RW對動態(tài)參數(shù)的影響？3)若RW滑動端在中點，寫出Ad、Ri的表達(dá)式。2.加調(diào)零電位器

RW沒有負(fù)載、、、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)場效應(yīng)管差分放大電路模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)集成運放中的恒流源1、給運放提供偏置電流2、代替難以制作的大電阻3、有源負(fù)載模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)集成運放中的恒流源1、鏡像恒流源T0和T1特性完全相同。在電流源電路中充分利用集成運放中晶體管性能的一致性。電路中有負(fù)反饋嗎？基準(zhǔn)電流模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)2、帶緩沖鏡像恒流源模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)3．比例電流源電路–+–+由于故有模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)4、微電流源要求提供很小的靜態(tài)電流，又不能用大電阻。–+–+模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)5、多路電流源

根據(jù)所需靜態(tài)電流，來選取發(fā)射極電阻的數(shù)值。

根據(jù)所需靜態(tài)電流，來確定集電結(jié)面積。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[例]如圖所示電流鏡，在VCC=15V時，欲獲IC1=20mA,求R=?[解]已知IC1=20mA,則R

VCC/IR=750WIR=20mA模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)有源負(fù)載①哪只管子為放大管？②其集電結(jié)靜態(tài)電流約為多少？③為什么要考慮

rce1?1.用于共射放大電路R被忽略了嗎？模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)2.用于差分放大電路①電路的輸入、輸出方式？②如何設(shè)置靜態(tài)電流？③靜態(tài)時iO約為多少？④動態(tài)時ΔiO約為多少？

使單端輸出電路的差模放大倍數(shù)近似等于雙端輸出時的差模放大倍數(shù)。靜態(tài)：動態(tài)：模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)復(fù)合管復(fù)合管的組成：多只管子合理連接等效成一只管子。

不同類型的管子復(fù)合后，其類型決定于T1管。目的：增大β，減小前級驅(qū)動電流，改變管子的類型。iB方向決定復(fù)合管的類型模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)判斷下列各圖是否能組成復(fù)合管

在合適的外加電壓下，每只管子的電流都有合適的通路，才能組成復(fù)合管。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)Ri=?Ro=?負(fù)載斷路，獨立源短路，保留受控源，保留獨立源內(nèi)阻模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)互補(bǔ)輸出級互補(bǔ)輸出級是直接耦合的功率放大電路。對輸出級的要求：帶負(fù)載能力強(qiáng)；直流功耗?。回?fù)載電阻上無直流功耗；最大不失真輸出電壓最大。一、對輸出級的要求射極輸出形式靜態(tài)工作電流小輸入為零時輸出為零雙電源供電時Uom的峰值接近電源電壓。單電源供電Uom的峰值接近二分之一電源電壓。不符合要求！模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)二、基本電路靜態(tài)時T1、T2均截止，UB=UE=01.特征：T1、T2特性理想對稱。2.靜態(tài)分析T1的輸入特性理想化特性模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)3.動態(tài)分析ui正半周，電流通路為+VCC→T1→RL→地，uo=ui

兩只管子交替工作，兩路電源交替供電，雙向跟隨。ui負(fù)半周，電流通路為地→RL→T2→-VCC，uo=ui模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)4.交越失真消除失真的方法：設(shè)置合適的靜態(tài)工作點。信號在零附近兩只管子均截止開啟電壓①靜態(tài)時T1、T2處于臨界導(dǎo)通狀態(tài)，有信號時至少有一只導(dǎo)通；②偏置電路對動態(tài)性能影響要小。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)三、消除交越失真的互補(bǔ)輸出級模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)四、準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級

為保持輸出管的良好對稱性，輸出管應(yīng)為同類型晶體管。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)集成運算放大器集成運放的特點（1）直接耦合方式，充分利用管子性能良好的一致性采用差分放大電路和電流源電路。（2）用復(fù)雜電路實現(xiàn)高性能的放大電路，因為電路的復(fù)雜化并不帶來工藝的復(fù)雜性。（3）用有源元件替代無源元件，如用晶體管取代難于制作的大電阻。

集成運算放大電路，簡稱集成運放，是一個高性能的直接耦合多級放大電路。因首先用于信號的運算，故而得名。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)集成運放電路的組成兩個輸入端一個輸出端

若將集成運放看成為一個“黑盒子”，則可等效為一個雙端輸入、單端輸出的差分放大電路。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)集成運放電路四個組成部分的作用輸入級：前置級，多采用差分放大電路。要求Ri大，Ad大，Ac小，輸入端耐壓高。中間級：主放大級，多采用共射放大電路。要求有足夠的放大能力。輸出級：功率級，多采用準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級。要求Ro小，最大不失真輸出電壓盡可能大。偏置電路：為各級放大電路設(shè)置合適的靜態(tài)工作點。采用電流源電路。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)集成運放的電壓傳輸特性

由于Aod高達(dá)幾十萬倍，所以集成運放工作在線性區(qū)時的最大輸入電壓(uP－uN)的數(shù)值僅為幾十～一百多微伏。在線性區(qū)：uO＝Aod(uP－uN)

Aod是開環(huán)差模放大倍數(shù)。非線性區(qū)

(uP－uN)的數(shù)值大于一定值時，集成運放的輸出不是＋UOM

,

就是－UOM，即集成運放工作在非線性區(qū)。uO=f(uP-uN)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)讀圖方法（1）了解用途：了解要分析的電路的應(yīng)用場合、用途和技術(shù)指標(biāo)。（2）化整為零：將整個電路圖分為各自具有一定功能的基本電路。（3）分析功能：定性分析每一部分電路的基本功能和性能。（4）統(tǒng)觀整體：電路相互連接關(guān)系以及連接后電路實現(xiàn)的功能和性能。（5）定量計算：必要時可估算或利用計算機(jī)計算電路的主要參數(shù)。已知電路圖，分析其原理和功能、性能。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)集成運放的主要性能指標(biāo)